第7章复杂适应系统理论及其应用.ppt

1、2020年7月31日,第1页,第七章 复杂适应系统理论 及其应用,2020年7月31日,第2页,复杂适应系统（Complex Adaptive System,简称CAS）理论提出认识、理解、控制和管理复杂系统的新思路。包括微观和宏观两个方面： 微观上，最基本概念主体（adaptive agent）：具有适应能力、主动的个体。 宏观上主体组成的系统表现出分化、涌现等复杂的演化过程。,2020年7月31日,第3页,CAS理论提出时间不长，但其概念和方法都得到不同程度的应用和验证，推动人们对复杂系统的行为规律进行深入研究。 CAS理论基本观点和概念 个体适应和学习 从个体到全局回声模型 CAS理论的

2、实现SWARM功能和应用 CAS理论的应用,2020年7月31日,第4页,一、CAS理论的基本观点和概念,CAS理论是霍兰于1994年圣菲研究所10周年时正式提出。 圣菲研究所是独立的非赢利机构，依靠申请各种基金来支持跨学科的研究，其创始人考恩提出冲破学科界限，研究共同关心的“人类究竟应如何认识和处理复杂性”这个难题。第一次研讨会于1984年新墨西哥州首府圣菲市举行，为圣菲研究所的由来。,1、CAS理论的产生,2020年7月31日,第5页,以复杂性为研究的中心议题吸引了大批各领域的科学家，年龄、专业、地位不是障碍。1990年代，具有重要意义的事件： （1）1994年开始举办乌拉姆讲座，每年一次

3、，展示复杂性研究的最新成果； （2）复杂系统建立模型而设计的软件平台SWARM的建立； （3）重视系统科学思考的扩散和普及，每年夏季举办系统科学培训班，对象为研究所以至本科生； （4）出版专著和杂志复杂性。,2020年7月31日,第6页,CAS理论研究的重要方面是复杂性的产生机制研究。其核心思想是适应性造就复杂性，但CAS理论不排除复杂性产生的其他机制和渠道。 CAS理论的基本思想：系统是由主体构成的。主体在持续不断的交互作用中，不断地学习或积累经验，从而改变自身的结构和行为方式。整体演化或进化，包括新层次的产生，分化和多样性的出现，新的更大的主体出现等，都是在这个基础上逐步派生出来的。,2、

4、 CAS理论的核心思想,2020年7月31日,第7页,按照传统看法，复杂性主要来自系统的外部。认为任何事物发展遵循：从不对称到对称，从有结构到无结构，从有差别到无差别，从复杂到简单。还原观使人们对片面看法视而不见。 现代系统科学打破了这种形而上学的看法，从系统内部寻找系统性的来源。但最初认为系统构成个体是被动的、静止的，难以有效地应用到生物、生态、经济和社会系统。 CAS理论在这方面有重大突破，把系统的成员看成具有自身目的与主动性的、积极的“活的”主体。这种主动性以及它与环境的相互作用是系统发展和进化的基本动因。 个体与环境之间这种主动的、反复的交换作用就是“适应性”。,2020年7月31日,

5、第8页,CAS强调主体的主动性，具有自己的目标、内部结构和生存动力。 CAS有7个基本概念，其中4个反映主体的特性，3个反映主体与环境交流的机制。 （1）聚集（aggregation）：用于个体通过“粘着”形成较大的多主体的聚集体。系统演化过程中，较小的、较低层次的个体通过某种特定的方式结合起来，形成较大的、较高层次个体，往往是宏观性态发生变化的转折点。,3、 CAS理论的基本概念,2020年7月31日,第9页,聚集现象在许多系统中存在。生物界的共生现象，高等生物体内存在的许多独立的低等生物，如人体细胞中的线粒体。一方面，它们是完整意义下的、独立自主的生物；另一方面，在长期演化过程中，它们必须

6、也只能在人体内这种环境中生存。个人与社会，雇员与企业等反映了不同层次的主体之间有效地协调和共生。聚集不是简单的合并，也不是消灭个体的合并，而是新的类型的、更高层次上的个体的出现。 （2）非线性（nonlinearity）：个体以及它们的属性在发生变化时，并非遵从简单的线性关系。 CAS 认为个体之间相互影响不是简单、被动、单向的因果关系，而是主动的适应关系，非线性产生归之于内因。,2020年7月31日,第10页,（3）流（flow）：个体与环境，个体之间存在着物质流、能量流和信息流。越复杂的系统，各种交换越频繁、越错综复杂。 （4）多样性（diversity）：在适应过程中，个体之间的差别会发

7、展与扩大，最终形成分化和多样性。生物多样性，文化多样性。 （5）标识（tagging）：为了互相识别和选择，个体的识别在个体与环境的相互作用中非常重要。标识的作用主要在于实现信息的交流， CAS强调流和标识就是把信息因素引入系统研究。 （6）内部模型（internal models）：每个个体都是有复杂的内部机制，对整个系统而言，统称为内部模型。,2020年7月31日,第11页,（7）积木（building blocks，亦称构件）：复杂系统通常在一些相对简单的构件上，通过改变组合方式而形成的。 内部模型和积木的作用在于加强层次的概念。多样性不仅表现在同一层次中个体类型的多种多样，还表现在层次

8、之间的差别和多样性。 7个概念充分展示了主体的特点：它是多层次的、与外界不断交互作用的、不断发展和演化，活生生的个体。,2020年7月31日,第12页,（1）主体是主动的、活的实体； （2）个体之间、个体与环境之间的互相影响和作用； （3）宏观和微观有机联系。通过主体和环境的相互作用，使 得个体的变化成为整个系统变化的基础； （4）引进了随机因素的作用，活的主动性个体具有学习功能，使它具有更强的描述和表达能力。 CAS 考虑随机因素的处理方法是特别的，从生物界许多现象中吸取有益启示，其集中表现是遗传算法。,4、 CAS理论的主要特点,2020年7月31日,第13页,二、个体适应和学习,主体的基

9、本行为模型包括三个步骤： （1）建立执行系统的模型； （2）确定信用分派的机制； （3）提供规则发现的手段。,2020年7月31日,第14页,1、刺激反应模型,要用一种统一方式表达各种系统中的主体最基本的行为模式，其出发点是基本的刺激反应模型。涉及几个概念： 输入环境的刺激； 输出个体的反应； 规则对什么样的刺激，做出怎样的反应规则； 探测器接受刺激的器官； 效应器给出反应的器官。 通常所有规则应当相互一致,既不重复,也不遗漏,满足IFTHEN。CAS认为，这种看法和要求不适用于复杂系统的建模，应把这些规则看做有待于检验和认证的假设。进化的过程需要有矛盾、冲突和不一致，而不是避免或者消除它们。

10、,2020年7月31日,第15页,2、适应度的确认和修改,为了对规则进行比较和选择，需要对假设的信用程度定量化，即适应度。选择规则的基本想法：按照一定的概率选择，适应度大的规则有更多的机会被选用。在此之上，可以加入并行算法和缺省层次等思想，使规则的选择更加灵活，更加符合现实的系统行为。 信用分派本质是向系统提供评价和比较规则的机制。每次应用规则之后，个体将根据应用的结果修改适应度，就是“学习”或“经验积累”。信用分派机制提供了把定量研究与定性研究有机结合起来的途径。,2020年7月31日,第16页,3、新规则的产生,经过与环境的交流，已有的规则得到不同的信用指数。还要发现或形成新规则，提高个体

11、环境适应能力。 基本思想：在原有规则之上，通过交换、突变等创造新规则。 规则发现是通过合理假设的生成，集中使用在经过检验的积木上。,2020年7月31日,第17页,三、从个体到全局回声模型,在微观主体模型基础上，建立系统的宏观模型回声模型（Echo Model）。 从微观到宏观的过渡历来是一个难题。微观经济学和宏观经济学、生物个体和生态系统、心理学与社会学等都存在这个问题。传统科学存在两个方面问题，一方面往往忽略层次之间的质的差别；另一方面，把两者完全割裂开，回避其间的矛盾和不一致。 三步骤构建回声模型： （1）定义资源和位置； （2）提出一个基本模型； （3）补充更复杂的属性，形成回声模型。

12、,1、位置和资源,2020年7月31日,第18页,从主体活动的外部环境考虑，定义两个概念： （1）资源：可以不断向主体提供所需的某种物质或能量； （2）位置：可以容纳若干个体活动的“容器”，具有一定的环境条件和资源条件，个体可以在不同位置之间移动和选择。,2、回声模型的基本框架,模型中，主体具有最简单的功能寻找交换资源的其它主体，与其它主体进行资源交流，保存及加工资源。三个基本部分组成： （1）进攻标识用于主动与其它主体的联系和接触； （2）防御标识用了其它主体与自己联系时决定应答与否； （3）资源库用于存储的加工资源。,2020年7月31日,第19页,3、回声模型的扩充,对基本框架增加各种功

13、能，形成扩展的回声模型： （1）增加“交换条件 ”机制，即在进攻标识与防御标识相符条件下，增加某种交换条件的确认。 （2）增加“资源转换”机制，即主体具备加工、利用和重组资源的能力。 （3）增加“粘着”机制，即若干主体通过固定的联系，成为一个多主体的聚合体，在系统中活动。 （4）增加“选择聚合”机制，即主体可以有选择地与其他主体结合，形成更强的主体。,回声模型基本框架：整个系统包括若干个位置，每个位置中有若干个主体，主体之间进行交往，交流资源和信息。,2020年7月31日,第20页,（5）增加“条件复制”机制，即主体在资源充裕、条件适宜下可复制增加自身的功能。扩展的回声模型具备了描述和研究各种

14、复杂系统的能力，是由现实复制系统逐步抽象出来的，而不是纯理论研究的产物。 但当前的扩展回声模型还在不断完善中，存在以下不足： （1）主体的功能单纯，结构单纯，类型单一。不具备资源加工能力，无分化，无选择性。 （2）主体不具备繁殖的功能，不能产生新的主体。 （3）信息收集和处理能力比较简单，不能进行更复杂的信息识别，分类活动。 （4）资源种类只有一种，不能加工产生新能源。,2020年7月31日,第21页,虽然扩展模型比较简单，但可为进一步研究提供了坚实的基础，如MIS生命周期法，难以适应环境的变化，缺乏适应性。但因特网的成长是一个成功范例，没有事先规划它，而是许多具有主动性的个体站点按一定的标准

15、（TCP/IP）相互联系，生长出全球性的庞大系统。,2020年7月31日,第22页,四、CAS理论的实现SWARM的功能和应用,SWARM建模思想是建立一系列独立的个体，通过独立事件之间进行交互，考察和研究系统的行为和演化规律。SWARM模拟的基本单位是个体（模拟部件），时间表则定义了这些个体之间的事件发生的流程。,1、SWARM的建模方法,CAS一个重要特点就是可操性SWARM软件平台,2、基于SWARM的模型应用,人民大学经济学实验室研究SWARM的应用成果。阿克罗夫模型，基于主体经济模拟的建立、国会山姆古司模型、任务分配模型。,2020年7月31日,第23页,五、CAS理论的应用,（1）经济科学：股市价格、微观经济行为模型、市场结构演化、经济地理分布等。 （2）生物科学：免疫系统规律、DNA分子形成、生物体对外界环境的适应机制等。 （3）生